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基于GRACE星间重力位差的slepian局部地表质量变化反演法

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地球物理学报 2024年第7期67卷 2546-2567页

作者：钟波谭江涛李贤炮李建成李琼武汉大学测绘学院武汉430079 湖北珞珈实验室武汉430079 地球空间环境与大地测量教育部重点实验室武汉430079 西南石油大学土木工程与测绘学院成都610500

根据slepian基函数在频域和空域的局部集中特性,建立了利用GRACE星间重力位差(GPD)估计局部地表质量变化的slepian基函数反演模型及病态问题求解算法,并以亚马逊流域的陆地水储量变化(TWSC)反演为例,评估了反演方法的精度和有效性.首先... 详细信息

根据slepian基函数在频域和空域的局部集中特性,建立了利用GRACE星间重力位差(GPD)估计局部地表质量变化的slepian基函数反演模型及病态问题求解算法,并以亚马逊流域的陆地水储量变化(TWSC)反演为例,评估了反演方法的精度和有效性.首先,通过闭环数值模拟比较了slepian基函数法(GPD SBF)、基于GPD的mascon方法(GPD Mascon)和球谐系数法(GPD SH)反演2005年亚马逊流域TWSC的性能,结果表明:slepian基函数法通过限定信号的频域和空域范围,降低了反演过程中向下延拓带来的不确定性,有效削弱了法方程求解的病态性,其解算结果的稳定性明显优于GPD Mascon;GPD SBF的反演精度及可靠性总体上优于GPD Mascon和GPD SH,并且能够更好地恢复边缘区域的信号和减小泄漏误差的影响.其次,利用实测的GRACE GPD数据反演了2004—2015年亚马逊流域的TWSC时间序列,结果显示:GPDSBF相比GPDMascon反演的TWSC与官方mascon模型(CSR、JPL和GSFC RL06 mascon)更为一致,并且GPD SBF反演结果呈现出更多的空间细节和更好的信噪比.最后,利用不同GRACE反演结果计算的(TWSC的一阶导数)和水文气象数据(GPCP降水、ERA5蒸散发)由水量平衡方程估计了亚马逊流域Obidos水文站的月平均径流量,并采用测站的实测径流量进行检验,结果表明:GPD SBF和GPD Mascon估计的径流量与实测值扣除季节性信号后的差值STD分别为12.35 mm和14.54 mm,相关系数分别为0.71和0.69,并且GPD SBF和各种官方mascon模型估计的径流量与实测径流量更为接近.本文研究证明slepian基函数法可削弱病态问题求解对正则化约束的依赖,其比传统的GPD Mascon解算精度和可靠性更高,为反演高精度、高分辨率的局部地表质量变化提供了一种新的解决方案.

关键词：局部地表质量变化 slepian基函数星间重力位差 Tikhonov正则化 GRACE 亚马逊流域

应用GPS数据和slepian基函数反演川云渝地区陆地水储量变化

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地球物理学报 2021年第4期64卷 1167-1180页

作者：成帅袁林果姜中山刘中冠张迪徐小凤西南交通大学地球科学与环境工程学院成都611756

局部slepian函数是将局部区域内的地球物理信号转化为空间谱的一种方法,其可以保证在球面上局部范围内获得最优谱平滑解,非常适用于局部范围地球物理信号的研究.本文利用中国陆态网西南地区72个测站的连续GPS观测资料分析川云渝地区陆... 详细信息

局部slepian函数是将局部区域内的地球物理信号转化为空间谱的一种方法,其可以保证在球面上局部范围内获得最优谱平滑解,非常适用于局部范围地球物理信号的研究.本文利用中国陆态网西南地区72个测站的连续GPS观测资料分析川云渝地区陆地水负荷形变特征,并基于slepian函数方法解算60阶的空间谱基函数,结合弹性质量负荷理论研究了川云渝地区2011年至2015年陆地水储量变化的时空分布模式.针对slepian函数的边界效应问题,本文使用GLDAS格网数据计算得到站点处垂直负荷位移时间序列,然后利用该位移数据来进行水储量变化恢复实验,结果表明当边界扩充为3°时能较好地恢复GLDAS模型输出的陆地水储量变化.通过对比区域内GPS、GRACE、GLDAS得到的等效水高以及降雨数据,发现季节性降水是陆地水变化的一个重要驱动因子,GPS反演结果与GRACE和GLDAS数据具有较强的空间一致性.云南地区周年变化要强于川渝地区,其中云南西部的山区陆地水变化最大,约为30 cm,最小为川北以及重庆地区仅为7 cm.相较于GPS反演结果,GRACE与GLDAS明显低估了陆地水储量的季节性变化,分别达到24%和47%.比较分析地区内平均等效水高时间序列的相位发现,GPS得到的陆地水变化与降雨数据一致性较好,而GRACE与GLDAS存在一到两个月左右的时延.同时GPS能较好的探测出2015年1月左右南方地区大范围的强降水,而GRACE与GLDAS并没有体现出该现象,说明GPS能更为灵敏地探测到局部地区陆地水的变化.在站点等效水高时间序列上,GPS与GRACE的相关性总体上要优于GPS与GLDAS,陆地水周年变化较大的云南和四川西部地区站点三种数据间相关性较好,而其他季节性信号不明显的地区则相关性较差.本文的研究表明运用GPS-slepian方法能够独立地监测高时空分辨率的陆地水储量变化,是作为当前补充GRACE观测资料空缺期的有益尝试.

关键词： slepian基函数 GPS垂向位移陆地水储量变化负荷形变

利用GNSS垂直位移研究长江流域陆地水储量变化的时空分布特征

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地球物理学报 2022年第10期65卷 3780-3796页

作者：汤苗钟萍姜中山刘晚纯成帅杨兴海西南交通大学地球科学与环境工程学院成都611756 湖南省交通规划勘察设计院有限公司长沙410219

连续运行的GNSS参考站网络能够实时监测地表水文负荷变迁引起的弹性地壳垂直变形.因此,利用GNSS观测的水文负荷垂直位移估计区域陆地水储量变化是一种行之有效的方案.本文收集了长江流域98个GNSS台站2011—2020年的垂直位移时间序列,并... 详细信息

连续运行的GNSS参考站网络能够实时监测地表水文负荷变迁引起的弹性地壳垂直变形.因此,利用GNSS观测的水文负荷垂直位移估计区域陆地水储量变化是一种行之有效的方案.本文收集了长江流域98个GNSS台站2011—2020年的垂直位移时间序列,并采用slepian基函数方法将其转化为相应的位移谱,基于质量负荷理论估算长江流域陆地水储量变化,然后联合GRACE、GLDAS和降水数据分析其时空分布特征及水文驱动机制.GNSS反演结果与GRACE、GLDAS水储量变化均表现出明显的季节特征,周年振幅的空间相关系数分别为0.79和0.91.三种结果均表现出年水储量变化东西部大、中部小的空间模式,但GNSS反演结果显示整个长江流域水储量变化的最大周年振幅为~214 mm,明显大于GRACE (~121 mm)和GLDAS (~107 mm)的结果.此外,本文深入调查了长江流域三个子区域(金沙江流域、传统上游及长江中下游)水储量变化的空间格局与时序特征,发现基于三个数据集的水储量变化周年振幅在金沙江流域均呈现出西南向东北递减的趋势,且GNSS与GRACE结果显示长江中下游水储量变化较为显著.GNSS时序结果与GRACE、GLDAS及降水数据在三个子区域的时间相关系数均在0.48~0.84之间,其中金沙江流域GNSS与GLDAS相关系数达到了0.84.研究同时发现GNSS结果与降水存在非规律性的时滞关系:在金沙江流域与传统上游,GNSS结果出现峰值时刻较降水滞后2月,而在长江中下游几乎没有时延现象.利用长江中下游GNSS结果估算的水储量盈亏情况与历史极端水文事件有较好的对应,表明利用稀疏GNSS台站网络可以有效捕捉流域尺度极端水文情况,能够为研究区域尺度水储量时空变化提供新的解决方案.

关键词：陆地水储量长江流域 GNSS slepian基函数质量负荷理论

利用GNSS地表形变反演区域陆地水储量变化的进展

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武汉大学学报(信息科学版) 2023年第11期48卷 1724-1735页

作者：李建成李贤炮钟波武汉大学测绘学院湖北武汉430079 地球空间环境与大地测量教育部重点实验室湖北武汉430079 湖北珞珈实验室湖北武汉430079

连续密集的全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)观测的地表形变可用于反演高时空分辨率的区域陆地水储量(terrestrial water storage,TWS)变化,对区域水循环和气候变化的研究具有重要意义,已成为当前水文大地测... 详细信息

连续密集的全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)观测的地表形变可用于反演高时空分辨率的区域陆地水储量(terrestrial water storage,TWS)变化,对区域水循环和气候变化的研究具有重要意义,已成为当前水文大地测量领域的一个研究热点。介绍了利用GNSS地表形变反演区域TWS变化的负荷格林函数法和slepian基函数法,在此基础上评估了GNSS反演TWS变化的稳定性及性能,并重点评述了将其应用于区域水循环和极端气候变化研究的最新进展。对当前GNSS反演TWS变化方法存在的问题及未来发展趋势(如数据精细处理、多类数据联合反演等)进行了总结与展望,以期对未来利用GNSS监测技术研究区域TWS变化及相关应用提供参考。

关键词： GNSS地表形变陆地水储量变化负荷格林函数 slepian基函数联合反演

基于slepian函数的GPS陆地水储量反演方法研究

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基于Slepian函数的GPS陆地水储量反演方法研究

作者：成帅西南交通大学

学位级别：硕士

水是所有生物生存所需要的重要资源,是生态环境循环变化的重要控制因素。运用各种手段监测和量化陆地水的变化对当地政府以及国家进行干旱与洪涝的预防、水资源管理政策的制定以及气候变化分析等都有重大意义。局部slepian函数是将局部... 详细信息

水是所有生物生存所需要的重要资源,是生态环境循环变化的重要控制因素。运用各种手段监测和量化陆地水的变化对当地政府以及国家进行干旱与洪涝的预防、水资源管理政策的制定以及气候变化分析等都有重大意义。局部slepian函数是将局部区域内的地球物理信号转化为空间谱的一种方法,该方法可以保证在球面上局部范围内获得最优谱平滑解,非常适用于局部范围地球物理信号的研究。本文目标是应用slepian函数方法解算60阶基函数,结合中国陆态网西南地区72个测站的连续GPS观测资料分析川云渝地区陆地水负荷形变特征,并研究川云渝地区2011年至2015年陆地水储量变化的时空分布模式。反演计算之前,为了保证每个时刻内都有足够的GPS站参与反演,本文选择克里金-卡尔曼滤波模型来恢复了时间序列中的缺失数据。然后针对slepian函数的边界效应问题,文中也进行了水储量变化恢复实验。实验使用GLDAS格网数据计算得到站点处垂直负荷位移时间序列,然后利用该位移数据来恢复陆地水变化,结果表明当边界扩充为3°时能较好地恢复GLDAS模型输出的水储量变化。本文使用了最大阶数为60阶,γ＞0.1的前31项slepian基函数,将离散的GPS站点垂向位移时间序列转换为slepian位移空间谱,转换后得到的位移时间序列的振幅要略小于原始时间序列的振幅,且转换后的时间序列更加平滑,两者之间差异的均方根值都在5mm以内。将转换后位移时间序列与GRACE、GLDAS预测的负荷位移进行比较,发现三者都有相似的季节变化与年际变化特征,表明slepian位移时间序列较好地反映了季节性水文负荷变化。结果显示slepian位移空间谱较好地保留了原始数据的信号特征,可以用来进行陆地水储量的反演。接下来本文计算了区域内2011-2015年间每一年的陆地水变化周年振幅,发现5年来川云渝地区陆地水变化特征大致相同,2012年整体变化较大,区域振幅平均值为206mm,2015年最小,区域平均值仅为164mm。通过对比区域内GPS、GRACE、GLDAS反演得到的等效水高以及降雨数据,发现季节性降水是陆地水变化的一个重要驱动因子。GPS反演结果与GRACE和GLDAS数据具有较强的空间一致性。云南地区周年变化要强于川渝地区,其中云南西南部分的山区陆地水变化最大,约为30cm,川北以及重庆地区较小,仅为7 cm。相较于GPS反演结果,GRACE与GLDAS明显低估了陆地水储量的季节性变化,分别达到24%和47%。比较分析区域内相位发现,云南地区相位普遍较大,四川西部地区相位较小,最早到达峰值的是降雨数据,相位为180-220天,GPS结果相比降雨数据要晚一个月左右,相位值在220-270天之间,GRACE与GLDAS结果最晚,相位分别为220-300天和200-320天。比较地区内平均等效水高时间序列也可以发现,GPS得到的陆地水变化与降雨数据一致性较好,而GRACE与GLDAS存在一到两个月左右的时延。同时GPS能较好的探测出2015年1月左右南方地区大范围的强降水,而GRACE与GLDAS并没有体现出该现象,说明GPS能更为灵敏地探测到局部地区陆地水的变化。文中利用反演得到的陆地水储量结果和降雨数据,分别计算了云南地区的GPS-DSI、GRACE-DSI、GLDAS-DSI以及PRECI-DSI这四种干旱指数,并结合现有的两个气象干旱指数SPEI和CI共同分析了云南地区干旱特征。结果表明,相比于主要由降水数据驱动的气象干旱指数,GPS-DSI反映水文要素更多元,能体现较为真实的地表干旱特征。本文的研究表明运用GPS-slepian方法能够独立地监测高时空分辨率的陆地水储量变化,是作为当前补充GRACE观测资料空缺期的有益尝试。

关键词： slepian基函数 GPS垂向位移陆地水储量变化负荷形变